ההשפעה של תוכן VC באלקטרוליט על ליתיום ברזל פוספט

Vinylene Carbonate (VC) בעל יכולת הסתגלות מצוינת לטמפרטורות גבוהות ונמוכות כאחד. הוספת VC לאלקטרוליט יכולה לעזור ליצור שכבת SEI יציבה יותר על פני האנודה בסוללות ליתיום. לכן, לתוכן של VC יש השפעה משמעותית על הביצועים של סוללות ליתיום ברזל פוספט (LiFePO₄). מאמר זה בוחן במיוחד את ההשפעה של תוכן VC על הביצועים האלקטרוכימיים של סוללות LiFePO₄ בתנאי טמפרטורה-נמוכים. סוללות LiFePO₄ נמצאות בשימוש נרחב ברכבי אנרגיה חדשים ובמערכות אחסון אנרגיה הודות לבטיחותן הגבוהה, חיי המחזור הארוכים שלהן, ידידותיות לסביבה ועלותן הנמוכה יחסית. עם זאת, הם מתמודדים עם בעיות כמו דעיכה ביכולת הפריקה והפחתת שימור האנרגיה בטמפרטורות נמוכות (במיוחד מתחת ל--20 מעלות), מה שמגביל את השימוש בהם באזורים קרים. כדי לטפל בבעיה זו, לרוב מוסיפים לאלקטרוליט תוספים פונקציונליים כמו VC כדי לשפר מוליכות יונית בטמפרטורה-נמוכה, לדכא תגובות לוואי ולייצב את ממשק האלקטרודה, ובכך לשפר את ביצועי הסוללה בטמפרטורות נמוכות.

במחקר זה, הוכנו ארבעה סוגים של אלקטרוליטים לסוללות LiFePO₄ עם תכולת VC שונה (3.0%, 3.2%, 3.5%, 3.8%) והורכבו לתאי כיס. הקתודה השתמשה ב-LiFePO₄, והאנודה השתמשה בגרפיט מלאכותי. כל הסוללות הוכנו באותם תנאי תהליך ועברו היווצרות ופיזור קיבולת. בדיקות אלקטרוכימיות נערכו על כל קבוצת סוללות ב--30 מעלות כדי להשוות באופן שיטתי מדדי ביצועים מרכזיים כגון קיבולת פריקה בטמפרטורה נמוכה, התנגדות זרם ישר (DCR), יעילות אנרגטית וחיי מחזור.

1. קיבולת פריקה-נמוכה של טמפרטורה

על ידי בדיקת עקומות ה-CV של הסוללה בתנאי טמפרטורה-נמוכים וחישוב קיבולת הסוללה מהאזור המשולב של עקומות ה-CV.

כאשר תכולת ה-VC היא 3.5%, הסוללה מציגה את קיבולת הפריקה הגבוהה ביותר ב--30 מעלות (5.6 Ah), טוב משמעותית מקבוצות אחרות (3.0%, 3.2% ו-3.8% תואמים 4.6 Ah, 5.0 Ah ו-5.0 Ah, בהתאמה). כמות מתאימה של VC יכולה להוריד את נקודת ההקפאה של האלקטרוליט, להגביר את ניידות היונים ולדכא התגבשות ממס, ובכך לשפר את ביצועי הפריקה בטמפרטורה נמוכה.

2. התנגדות זרם ישר (DCR)

בדיקות DCR של הסוללה מראות שכאשר תכולת ה-VC היא 3.5%, ה-DCR הוא הנמוך ביותר (0.76 mΩ), מה שמצביע על התנגדות ממשק נמוכה יותר ויעילות הובלה גבוהה יותר של-יון ליתיום. תכולת VC מופרזת (למשל, 3.8%) מובילה לעלייה ב-DCR, מה שמצביע על כך שיותר מדי VC עשוי להגביר את ההתנגדות לתגובת הממשק.

3. יעילות אנרגטית-נמוכה בטמפרטורה

כאשר תכולת ה-VC היא 3.5%, הסוללה מציגה את היעילות האנרגטית הגבוהה ביותר ב-30 מעלות (82.0%), ועולה על קבוצות אחרות (72.5%~79.0%). זה מיוחס ל-VC המקדם יצירת סרט SEI יציב, הפחתת הפסדי קיטוב ושיפור יעילות המרת האנרגיה.

4. מחזור חיים

לאחר 300 מחזורים, הסוללה עם 3.5% תכולת VC מציגה את שימור הקיבולת הגבוה ביותר (97.5%), תוך ביצועים טובים יותר מקבוצות אחרות (90.0%~96.1%). VC יכול לתקן באופן דינמי פגמים בסרט SEI במהלך רכיבה על אופניים, לעכב פירוק אלקטרוליטים ויצירת גזים, ובכך להאריך את חיי המחזור של הסוללה בטמפרטורות נמוכות.

ACEY-BA3040-20ציוד לבדיקת מחזור סוללהמשמש לבדיקת תוחלת החיים, האמינות, הקיבולת ופרמטרים אחרים של ערכת הסוללות באמצעות בדיקת טעינה ופריקה מחזורית.

• VC מפחית באופן מועדף על פני האנודה של הגרפיט לפני מולקולות הממס במהלך תהליך הטעינה והפריקה הראשוניים, ויוצר סרט SEI צפוף העשיר ברכיבים אנאורגניים כגון Li₂CO₃. לסרט הזה יש מקדם דיפוזיה של-יון ליתיום גבוה יחסית.

• כמות מתאימה של VC יכולה לייעל את מבנה הפתרון של האלקטרוליט, להפחית את הצמיגות ולשפר מוליכות יונית בטמפרטורות נמוכות.

• VC מוגזם עלול להוביל לסרט SEI עבה מדי או לעכבה מוגברת, מה שלמעשה מזיק לשיפור הביצועים.

למרות שהמאמר ערך ניסויים שהשוו כמויות שונות של VC וביצע בדיקות מסוימות, בזיהוי תוכן ה-VC האופטימלי בניסוי זה, הוא לא כלל קבוצת ביקורת ללא VC. לכן, לא ניתן להסיק שהוספת VC משפרת בהכרח את ביצועי הסוללה.